椎间盘的生物化学

　　一、正常椎间盘

　椎间盘作为人体活动的主要承载结构，是一种特殊类型的纤维结缔组织，其主要成分有：胶原、蛋白多糖、水、非胶原蛋白和少量弹性纤维。

　　(一)胶原

　　胶原是椎问盘的主要组织成分和结构单位，占椎间盘干重的1／2，构成椎问盘的框架。纤维环的胶原纤维呈同心圆状致密排列，纤维与椎间盘平面呈30。，层间也有一定的夹角，使其具有较高的弹性和较低的伸展性。髓核中胶原纤维呈松散网状捧列，构成髓核的框架，髓核周围的胶原纤维形成束带，构成移行区，发挥固定髓核的作用。软骨板由透明软骨组成，其胶原纤维排列与关节软骨相似。

　　椎间盘主要含I型、Ⅱ型两种胶原纤维，I型胶原主要集中在纤维环的外层，占椎间盘I型胶原总量的40％。由纤维环外层向髓核方向，I型胶原逐渐减少，Ⅱ型胶原含量逐渐增多。髓核则主要含Ⅱ型胶原。I型胶原的分子构型为[a1(I)]2a2，分子量为3×10。，长约300nm，直径约1．5nm。I型胶原由约1050个氨基酸构成。含12～15个羟赖氨酸残基，亚氨酸的糖化作用弱，分子的水含量较低，能耐受强的张力和剪力，不耐受压力。胶原分子由细胞合成后，在细胞外聚合成胶原原纤维。Ⅱ型胶原分子构型由三条a1(Ⅱ)链构成，Ⅱ型胶原分子中的羟赖氨酸残基含量达36～72个，氨基酸构成的不同，使Ⅱ型胶原与I型胶原的功能有所不同。羟赖氨酸侧链经糖化作用后产生二糖衍生物(葡萄糖基半乳糖羟赖氨酸)和单糖衍生物(半乳糖基羟赖氨酸)。通过糖化作用可使水分子在亚氨基酸的侧链上聚集，使胶原更适于承受和吸收压力。

　　纤维环中的胶原含量明显高于髓核，而且主要以I型和Ⅱ型胶原为主。而髓核中胶原含量较少，髓核中心含Ⅱ型胶原，没有发现I型胶原存在，Ⅱ型胶原纤维与其上附着的具有吸水特征的黏多糖蛋白形成复合体．共同维持髓核的容积和性质稳定，使髓核具有承受压力、吸收震荡和弹性形变的能力。现已证实椎间盘除含I型、Ⅱ型胶原成分外，还有Ⅲ、Ⅳ、V、Ⅵ、Ⅸ、X型等胶原成分，这些胶原成分的变化与椎问盘细胞的代谢直接相关，反映着椎间盘的功能状态。上述微量胶原成分尽管含量少，但它们在椎问盘基质胶原纤维的组织过程及椎间盘生物力学等方面发挥着重要作用。Boos发现X型胶原在明显退变的椎间盘中表达，但表达的机制尚不清楚。Nerlieh对不同年龄组椎间盘组织进行光镜观察及免疫组织化学染色，发现年轻人及成年人中椎间盘髓核细胞周围有Ⅳ及X型胶原存在，X型胶原由椎间盘肥大的软骨细胞合成，它的出现预示髓核细胞类型的改变。有人发现退变椎间盘中Ⅲ型胶原的含量明显高于正常椎间盘，提示Ⅲ型胶原含量增多与创伤的修复有关。Roberts发现Ⅵ型胶原位于椎间盘及软骨终板细胞旁，其功能尚不清楚。

　　(二)蛋白多糖

　　蛋白多糖作为大分子结构，包括硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸角质素、透明质酸、肝素和硫酸类肝素等。蛋白多糖由核心蛋白及糖胺聚糖以共价键连接而成，糖胺聚糖因含有糖胺而得名，可以是葡萄糖或半乳糖胺。

　　蛋白多糖中多糖所占重量在50％以上，最多可达95％。蛋白多糖是椎间盘细胞外间质的重要组成成分，椎间盘中主要有硫酸软骨素、硫酸角质索和透明质酸三种蛋白多糖分子。

　　硫酸软骨素是体内最多的蛋白多糖，也是椎间盘中蛋白多糖主要的糖胺聚糖。每条糖链含40个二糖单位，分子量约2000。糖链与核心蛋白连接后，可与透明质酸结合成蛋白多糖聚合物。二糖单位由N一乙酰半乳糖胺及葡萄糖醛酸构成。在GalNAC的第4或6位上连接硫酸，根据取代基的部位将硫酸软骨素分为4一硫酸软骨素和6一硫酸软骨素。硫酸角质素的二糖单位由半乳糖和N-乙酰葡萄糖胺构成。部分硫酸角质紊与硫酸软骨素组成聚合物后，分布于软骨与结缔组织中。透明质酸的二糖单位由葡萄糖醛酸和N一乙酰葡萄糖胺组成，不含硫酸，单糖残基可达5 000个。

　　与关节软骨相比，椎间盘中蛋白多糖的透明质酸链较短，硫酸软骨素链较长，所形成的聚合体也小于组成关节软骨的聚合体。研究表明从纤维环到髓核中央蛋白多糖浓度呈梯度增加，椎间盘髓核的蛋白多糖含量明显高于纤维环。蛋白多糖对维持椎间盘生理功能有十分重要的作用：①蛋白多糖分子中带有大量的负电荷，产生一定的固定电荷密度，对水和阳离子具有较大的亲和力，可维持椎间盘中的水分；②蛋白多糖聚合体体积庞大，为组织提供了良好的水合空间，其维持椎问盘内水分的能力比蛋白多糖单体大得多；③蛋白多糖水化后以凝胶状态填充在胶原纤维的网眼中，其分子体积可压缩至疏松状态的20％，产生一种抗压强度，使髓核具有弹性和膨胀性，维持髓核在压力作用下不被压缩，在承受突然外力时有吸收震荡作用。当椎间盘承受负载解除后，蛋白多糖使椎间盘恢复原来体积；④它还可阻止椎间盘基质的钙化，使其富有弹性。